一种沿空侧向顶板受回采影响致灾动载评估方法与流程

本发明涉及巷道支护，具体为一种沿空侧向顶板受回采影响致灾动载评估方法。

背景技术：

1、在煤矿两侧实体煤工作面初采过程中，随着工作面的推进，顶板悬露面积逐渐增大，当工作面的推进距离达到基本顶的破断步距时，顶板将发生“o-x”初次破断，形成的关键三角块的回转动载会对沿空巷道的稳定产生强烈影响。而在相邻工作面二次回采时，已经沉降稳定的关键三角块受回采影响活化将发生二次回转，如何计算这一运动过程中关键三角块的回转动载，目前还没有专利对这一问题提出过技术方案，解决这一问题将有利于提高二次回采时沿空巷道超前段的稳定性和安全性，为制定超前支护方案提供技术支持。

2、为了解决上述难题，中国专利申请号202110499959.4公开一种基于动静载模拟的冲击地压危险评价方法，该技术方案拆分并重构震源原始混合震动波形为s波和p波，然后施加于矿井模型震源位置进行动载模拟计算，通过波的传递反推动载能量大小。然而，该方案只适用于大范围的动载能量预测，比如矿井冲击地压的监测，而不适用于小区域的动载能量精确计算。

3、中国专利申请号201810461961.0公开一种基于覆岩演化特征的煤矿动载显现数值模拟方法，该技术方案根据收集到的相关地质信息建立三维计算模型，进行静力平衡计算，然后根据破坏或滑移的位置计算顶板释放的能量。然而，该方案既没有对沿空侧向顶板的回转运动做详细的分析，也没有研究关键三角块受回采影响发生二次回转的运动过程。

4、因此现，有技术有待进一步的改进和发展。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术的不足，本发明拟提供一种沿空侧向顶板受回采影响致灾动载评估方法，用于估算关键三角块受回采影响二次回转产生的动载能量。

2、术语解释，本发明所述的沿空侧向顶板指的是在煤矿工作面沿空巷道上方如基本顶的厚硬顶板，受工作面回采影响而向工作面采空区进行回转下沉运动，从而对沿空巷道的稳定性造成巨大的影响。本发明所述的关键三角块则是沿空侧向顶板回转下沉运动中对沿空巷道影响最大的组成部分，由于块体整体呈现为类三角板，故称之为关键三角块。

3、为了达到上述目的，本发明采取以下技术方案：

4、一种沿空侧向顶板受回采影响致灾动载评估方法，包括以下步骤：

5、步骤一：根据采煤工作面顶板破断的薄板理论，确定上工作面顶板破断时关键三角块沿上工作面推进方向的最大长度，也就是上工作面顶板的初次破断步距l；

6、由于沿空侧向顶板受回采影响的致灾动载主要来源于上工作面因回采形成的关键三角块因本工作面二次回采影响活化而发生的二次回转下沉运动。具体讲，就是在当前工作面推进过程中，相对于关键三角块所进行的工作面二次回采会使已经沉降稳定的关键三角块活化，向本工作面已采空间进行二次回转。其中，当本工作面推进至上工作面顶板初次破断步距l的一半时，关键三角块会因二次回采开始发生剧烈回转下沉运动从而产生致灾动载。基于这一原因，需要首先确定上工作面顶板的初次破断步距；所述的本工作面指的是当前准备开采的相邻于上工作面的工作面；

7、步骤二：确定关键三角块上各点受二次回采影响的平均下沉量

8、根据弹性理论，计算关键三角块受回采影响不断下沉的过程中，关键三角块受二次回采影响的最大下沉量δh；

9、将关键三角块视为等腰三角板，在沿着本工作面推进方向l/2处作本工作面倾向方向上的剖面(也就是说该剖面平行于本工作面倾向)，此时关键三角块在本工作面倾向剖面上的长度达到最大值，关键三角块受二次回采影响下沉量也达到最大值δh，这样关键三角块最大下沉量△h、关键三角块在沿工作面倾向上的投影长度和关键三角块在工作面倾向剖面上的长度组成一个三角形，其中的关键三角块在沿工作面倾向上的投影长度和关键三角块在工作面倾向剖面上的长度之间的夹角就是最大回转角。基于上述机理，由三角函数思想，计算关键三角块回转下沉过程中在本工作面倾斜方向上的最大回转角度；

10、再根据三角形质心定理，计算三角板质点的最大下沉量，该最大下沉量等同于关键三角块上各点受采动影响的平均下沉量；

11、步骤三：确定本工作面回采过程中关键三角块沿本工作面推进方向上的某一段所释放的动载能量δu

12、根据势能转化定理，并忽略能量损失，得到关键三角块在不同推进距离因回采发生二次回转释放的总能量u0，也就是在不同推进度下，关键三角块在自重和上覆岩层载荷共同作用下发生回转的过程中释放的总能量u0。

13、根据所取推进度的不同，得到关键三角块在不同推进度下释放的总回转动载能量，进而得到回采过程中关键三角块沿本工作面推进方向上的某一段所释放的动载能量δu。

14、进一步：为了评估沿空侧向顶板受回采影响的最大致灾动载，步骤一中，所述的上工作面指的是两侧均为实体煤的初采工作面，此时本工作面就是当前准备开采的第二工作面。其中，上工作面优选初采工作面的原因是：当项板初次破断之前，已采空间的悬空项板在三维空间上可以看作四边嵌固在岩层中的板，在工作面推进距离达到项板的极限破断步距时，由于项板的挠曲程度最大、积聚的弹性变形能最多，因此破断形成的关键三角块沿工作面走向方向的长度最长。基于此，优选初采工作面可用来估算沿工作面走向一定长度的关键三角块在二次回转过程中产生的动载上限，进而提出有针对性的超前支护优化技术方案。

15、进一步，确定两侧均为实体煤的初采工作面项板的初次破断步距，即上工作面项板的初次破断步距l0计算方法见公式(1)

16、

17、式中：

18、

19、σs为项板的单向抗拉强度，单位mpa；

20、α为项板断裂的附加虚位移常数，一般取0.3；

21、lx为初采两侧实体煤工作面斜长，单位m。

22、h为项板的厚度，单位m；

23、∑hi为项板上部软层的厚度，单位m；

24、γ为项板岩层的平均容重，单位kn/m3。

25、进一步：步骤二的详细方法是：

26、2.1：在关键三角块受回采影响不断下沉的过程中，根据弹性力学理论，关键三角块受二次回采影响的最大下沉量δh为：

27、δh＝h2-h1(ka-1)  (3)

28、式中：

29、δh为关键三角块受二次回采影响的最大下沉量，单位m；

30、h1为直接项的厚度，单位m；

31、h2为煤层的厚度，单位m；

32、ka为项板岩石的碎胀系数，一般取1.15～1.35。

33、2.2：由三角函数思想，得到关键三角块回转下沉过程中在本工作面倾斜方向上的最大回转角度θ

34、

35、式中：

36、ξ为关键三角块沿本工作面倾斜方向上的长度系数，用来衡量关键三角块的最大倾向长度和沿本工作面走向方向上长度的关系；

37、

38、2.3：由三角形质心定理和空间几何关系确定关键三角块上各点受回采影响的平均下沉量h0，单位m

39、

40、进一步，步骤三的详细方法是：

41、3.1随着本工作面的开采，上工作面已经沉降稳定的关键三角块受回采影响活化将发生二次回转。由于关键三角块在回采方向上基本对称，故当本工作面推进至l0/2时关键三角块才会开始进行对沿空巷道影响剧烈的二次回转运动。在此之前，三角块在本工作面推进方向剖面上表现为略有挠度的岩梁，下方煤体在略微弯曲的岩梁的挤压下进入塑性状态而产生微量的变形，对沿空巷道尤其是超前段影响很小。

42、基于上述原因，为方便计算，不考虑关键三角块和下方煤体的变形。根据力臂平衡定理，当本工作面推进到l0/2时关键三角块才开始发生回转。根据势能转化定理，并忽略能量损失，得到关键三角块在不同推进距离因回采发生二次回转释放的总能量u0，也就是在不同推进度下，关键三角块在自重和上覆岩层载荷共同作用下发生回转的过程中释放的总能量u0，单位j

43、

44、式中：

45、v为本工作面在走向方向上的推进速度，单位m/s；

46、uz为关键三角块在块体自重作用下的能量释放，单位j；

47、us为关键三角块在上覆岩层重力作用下的能量释放，单位j；

48、x为本工作面的推进距离与项板初次破断步距l0的比值(以下简称为本工作面的推进度)，取0.5～1。

49、m为关键三角块的质量，单位kg

50、

51、其中，ρ为块体的密度，单位kg/m3；q为关键三角块单位面积(1m2)的上覆均布载荷，单位kn/m2；

52、q＝γ∑hi  (9)

53、其中，γ为上覆岩层的平均重力密度，单位kn/m3；hi为项板以上每一层覆岩的厚度，单位m；

54、3.2根据所取x的不同即推进度的不同，得到关键三角块在不同推进度下释放的总回转动载能量，进而得到回采过程中关键三角块沿本工作面推进方向上的某一段所释放的动载能量δu，单位j

55、δu＝u2-u1  (10)

56、式中：u1和u2分别为本工作面推进度在x1和x2时关键三角块释放的总回转动载能量，x1和x2代表本工作面的两个不同推进度，且x2＞x1。

57、本发明的优点在于：

58、(1)根据采煤工作面项板破断的薄板理论，工作面采空区的悬项可视为悬空的矩形板，由于组成项板的坚硬岩层的重量和上覆岩层垂直载荷的作用，悬空的项板产生弯曲并聚集大量的弹性能。当项板达到极限抗拉强度时，会突然发生破断，积聚的弹性能瞬时释放，项板破断裂隙呈现“o-x”形状的分布特征。其中，根据煤矿实际的生产经验，当一个工作面为初采工作面时，悬空的项板由于采空区周围岩层的夹持作用，项板四周均处于嵌固状态，可以简化为四边固支的板模型；随着工作面的回采，项板在初次破断前的悬露面积比其他情况(一侧实体煤或孤岛工作面)更大、项板破断前的弯曲程度更高、积聚的能量更多、突然破断后对沿空巷道的影响更剧烈。

59、本发明通过计算能量最大的一种项板破断方式，从而估算工作面侧向项板关键三角块的极限破断长度及其在二次回采作用下的最大回转动载。而通过板模型计算得来的初采工作面顶板的初次破断步距(即关键三角块沿工作面推进方向的最大长度)，更符合实际顶板断裂情况，以此为根据进行的关键三角块受回采影响二次回转产生的动载能量估算结果也更准确。这种极限计算方法，有利于提高二次回采时沿空巷道超前段的稳定性和安全性，从而为制定超前支护方案提供技术支持。

60、(1)本发明提出的沿空侧向顶板受回采影响致灾动载计算方法，充分考虑了相邻工作面二次回采时已经沉降稳定的关键三角块受回采影响活化将发生二次回转产生的回转动载，根据计算出来的动载结果，可对当前工作面的超前支护方案提供更加精准的技术支持，有利于提高二次回采时沿空巷道超前段的稳定性和安全性。

61、(2)本发明提出基于沿空侧向顶板关键三角块质心空间几何位置关系的重力势能估算方法，在此基础上提出了新的侧向顶板动载估算方法，对其他技术方案有借鉴意义。

62、(3)本发明建立了工作面推进距离和上方覆岩运动的时空关系，在此基础上揭示了沿空侧向顶板二次回转时关键三角块的回转运动形式和能量释放过程，为侧向顶板动载估算提供了理论模型。

63、(4)该技术方案步骤简单，易于现场计算，能够科学合理的对沿空侧向顶板的二次回转动载进行估算，有利于提高相邻工作面回采时沿空巷道的安全性，保障工作面的安全高效生产。